JP6189629B2

JP6189629B2 - 放射状に適合したスポークを有するロータを含む制御モーメントジャイロスコープ、およびその製造方法

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Publication number: JP6189629B2
Application number: JP2013101252A
Authority: JP
Inventors: ポーター・デーヴィス; カルロス・ジェイ・スティーヴンス
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: EP2667154A3; EP2667154A2; JP2013242310A; US20130305850A1; US8919213B2

Description

[0001]本発明は、一般に、運動量制御装置に関し、より詳細には、放射状に適合したスポークを有するロータを含む制御モーメントジャイロスコープ、ならびにその製造方法に関する。

[0002]制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）は、衛星姿勢制御システムによく用いられる。一般化されたＣＭＧは、主ＣＭＧハウジング、および内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）を備えることができ、ＩＧＡは、ジンバル軸を中心に回転するように主ＣＭＧハウジング内に取り付けられる。ＩＧＡは、いろいろとある構成要素の中で、ロータ組立体と、少なくとも１つのスピンモータと、ロータ支持構造とを含む。「シェルロータアーキテクチャ」または、より簡単には、「シェルロータ」として通例呼ばれる既知の設計の１つでは、ロータ組立体は、第１の半球状ロータシェル部品と第２の半球状ロータシェル部品の間に配設される環状ロータリムを含む。ロータリムは、第１および第２の円周状リムシェル溶接継手にそれぞれ沿って第１および第２のロータシェル部品に溶接される。共同で、ロータリム、第１のロータシェル部品、および第２のロータシェル部品は、中央チャンネルを有する概して球体を形成し、この中央チャンネルを通じて、ロータシャフトが延在する。動作中、スピンモータは、比較的高い速度でスピン軸を中心にしてロータ組立体を回転させる。ＩＧＡは、主ＣＭＧハウジング内に取り付けられたアクチュエータ（例えば、トルクモジュール組立体）によって、ロータスピン軸にほぼ垂直であるジンバル軸を中心にして選択的に回転させられる。このようにＩＧＡが「ジンバルで支えられる」とき、ロータ組立体の運動量移行により、制御されたトルクが、スピン軸およびジンバル軸に直角をなす出力軸を中心にして発生する。このジャイロスコープのトルクは、人工衛星の外面にボルト留めされた環状フランジなどのＣＭＧ取付け面を介してホスト人工衛星に与えられる。ジンバル軸を中心にしてＩＧＡを選択的に回転させることによって、人工衛星の姿勢は、必要に応じて、高度に制御されたやり方で調整または再調整することができる。

[0003]上記のタイプのＣＭＧシェルロータは、本出願の譲受人ＨｏｎｅｙｗｅｌｌＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｃによって開発および商業的に実施され、かなりの成功を収めている。一般に、ＣＭＧシェルロータは、他の従来より知られているＣＭＧロータに比べて優れた性能特性を与え、それには優れた重量当たりの運動量の比、および比較的高い動作速度制限、ならびに高い角度剛性が含まれる。しかし、重量当たりの運動量の比、速度性能、およびＣＭＧの性能の他の尺度（例えば、動作の寿命）のさらなる改善が、なお望ましい。さらに、顕著な欠点として、シェルロータベースのアーキテクチャを有するＣＭＧの製造に関連した製造スケジュールおよびコストは、かなりのものになる傾向がある。シェルロータの商業生産が、数十万ＵＳドル以上のコストになり、完成まで１年より長い時間を必要とすることは珍しくない。

[0004]シェルロータ組立体、および他の従来より知られているＣＭＧロータ組立体に比べて、性能特性が改善された改良型ロータ（例えば、重量当たりの運動量の比の増加、より高い速度制限、より長い動作の寿命など）を含むＣＭＧを提供することが望ましい。理想的には、そのようなＣＭＧの実施形態、および具体的には、ＣＭＧ内に含まれる改良型ロータの実施形態は、コスト効率および時間効率の良い製造プロセスを利用した生産に適している。そのような高性能ロータを含むＣＭＧを生産する製造プロセスを提供することも望ましい。本発明の他の望ましい特色および特徴は、添付図面および本背景と併せて後続の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになろう。

[0005]制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）の実施形態が提供される。一実施形態では、ＣＭＧは、ステータハウジングと、内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）と、ステータハウジングに結合され、ジンバル軸を中心にしてＩＧＡハウジングを回転させてＣＭＧの動作中に所望の出力トルクを選択的に発生させるように構成されるトルクモータとを備える。ＩＧＡは、ステータハウジングに回転可能に結合されるＩＧＡハウジングと、ＩＧＡハウジング内に回転可能に取り付けられるＣＭＧロータと、ＩＧＡハウジングに結合され、スピン軸を中心にしてＣＭＧロータを回転させるように構成されるスピンモータとを備える。ＣＭＧロータは、ロータシャフトと、ロータシャフトを取り囲むロータリムと、ロータシャフトとロータリムの間に延びる複数の放射状に適合したスポークとを含む。

[0006]制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）を製造する方法が、さらに提供される。一実施形態では、この方法は、モノリシックＣＭＧロータを生産するステップと、ＩＧＡハウジング、スピン軸を中心にしてＩＧＡハウジングに対してモノリシックＣＭＧロータを回転させるように構成されるスピンモータを備える内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）内にモノリシックＣＭＧロータを装着するステップと、ステータ組立体ハウジング、およびジンバル軸を中心にしてＩＧＡを選択的に回転させてＣＭＧの動作中に所望の出力トルクを選択的に発生させるように構成されるトルクモータを含むステータ組立体にＩＧＡを取り付けるステップとを含む。モノリシックＣＭＧロータは、ロータシャフトと、ロータシャフトを取り囲むロータリムと、ロータシャフトとロータリムの間に延びる複数の放射状に適合したスポークとを含むように生産される。

[0007]以下、本発明の少なくとも１つの例を、添付図面に関連して説明する。同じ番号は、同じ要素を示す。

[0008]本発明の例示的な実施形態により示されるような、複数の放射状に適合したスポークを有する高性能モノリシックＣＭＧロータを含む制御モーメントジャイロスコープの断面図である。 [0009]図１に示される例示的なモノリシックＣＭＧロータの等角図である。図１に示される例示的なモノリシックＣＭＧロータの上面図である。 [0010]図３中の線４−４に沿った図１〜図３に示される例示的なモノリシックＣＭＧロータの一部の断面図である。 [0011]本発明のさらなる例示的な実施形態により示されるような複数の放射状に適合したスポークを含む例示的なモノリシックロータの等角図である。 [0012]図１〜図４に示されるモノリシックＣＭＧロータまたは図５に示されるモノリシックＣＭＧロータなどのモノリシックＣＭＧロータを含む制御モーメントジャイロスコープを製造する例示的な方法を示す流れ図である。

[0013]例示を簡潔かつ明確にするために、図面は、大まかな構成のやり方を示す。図面中の要素は、必ずしも原寸に比例して描かれていない。例えば、図中の要素または領域のうちのいくつかの寸法は、本発明の実施形態の理解を改善するのを助けるために他の要素または領域に比較して誇張される場合がある。よく知られた特色および技法の説明および例示は、本発明を不必要に不明瞭にするのを避けるために省略され得る。

[0014]以下の詳細の説明は、本質的に例示的なものに過ぎず、本発明、または本発明の用途および使用を制限するものではない。さらに、先の背景または以下の詳細な説明に示される任意の理論によって制約されるものではない。

[0015]図１は、本発明の代表例によって示される高性能ロータ２２を備える制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）２０の断面図である。ロータ２２は、必ずではないが、モノリシック部品または単一の部品として製造されることが有利であり、したがって、本明細書では「モノリシックＣＭＧロータ２２」と呼ばれる。そのような単一またはモノリシックの構成は、ＣＭＧロータ２２が、高トルクデューティサイクルで疲労し、ロータの動作の寿命をあまりにも早く制限する傾向がある溶接継手を少なくとも一部なくすことによって格段の構造的整合性を伴って生産されることが可能になる。そのような溶接継手、または他の機械的な取付け点をなくすことのよって、モノリシックＣＭＧロータ２２が、より高い回転速度およびより大きいトルク荷重で動作することが可能になり、それによってＣＭＧ２０の性能的側面を強化し（例えば、より大きい運動量と重量の比）、一方、応力集中、全体的な機械的疲労を減少させ、ロータの動作寿命を増加させる。運動量と重量の比、およびＣＭＧ性能の他の尺度の改善は、高い角度剛性またはねじり剛性をそれぞれ有しつつ、スポークがロータシャフトに連結または接触する位置からスポークがロータリムに連結または接触する位置へ半径方向にとるとき、比較的適合でもあるいくつかの半径方向に延びるロータスポークを有するようにＣＭＧロータ２２を製造することによっても実現される。いっそうさらなる利点として、モノリシックＣＭＧロータ２２、およびしたがって全体的にＣＭＧ２０は、コスト効率の良い、比較的時を得たやり方で製造することができる。モノリシックＣＭＧロータ２２は、図２〜図４に関連して以下詳細に説明され、第２の例示的なＣＭＧロータ１００は、図５に関連して以下説明され、ＣＭＧロータ２２（図１〜図４）またはＣＭＧロータ１００（図５）などのモノリシックＣＭＧロータを製造する例示的な方法１２０は、図６に関連して以下説明される。しかし、ＣＭＧ２０の全体的な議論は、まず代表例を確立するように与えられるが、例示的なＣＭＧロータ２２がより良く理解できる非限定の内容である。

[0016]図１に示される例示的な実施形態を参照すると、ＣＭＧ２０は、２つの主組立体、すなわち、内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）２４およびステータ組立体２６から構成される。モノリシックＣＭＧロータ２２はＩＧＡ２４内に収容され、ＩＧＡ２４はロータ支持構造２８をさらに含み、ＣＭＧロータ２２は、ロータ支持構造２８に回転可能に取り付けられる。ロータ支持構造２８は、ＣＭＧの動作中にロータ２２を支持するのに適した任意の構造上の要素または構造要素の集まりを含むことができる。例示の例では、ロータ支持構造２８は、ヨークまたは鞍構造３０を含み、ヨークまたは鞍構造３０は、ベースリング組立体３２にボルト留めされる、または他のやり方でベースリング組立体３２に固定される。ベースリング組立体３２は、ステータ組立体２６のハウジングに取り付けられ、ベースリング組立体３２、したがって全体的にＩＧＡ２４は、（以下に説明される、鎖線６０によって図１に表される）ジンバル軸を中心にしてステータ組立体２６に対して回転することができる。図２〜図４に関連して以下より十分に説明されるように、モノリシックＣＭＧロータ２２は、固定端３６（図１に示される向きのロータシャフト３４の上端）、および対向する浮遊端３８（例示の向きのシャフト３４の下端）を有するロータシャフト３４を含むように製造される。ロータシャフト３４の固定端３６は、ロータ支持構造２８内、具体的には鞍構造３０の第１のアーム内に設けられた第１の円筒形空洞または環状部分４０内に受け入れられ、一方、浮遊端３８は、鞍構造３０の対向するアーム内に設けられた第２の環状部分４２内に受け入れられる。

[0017]モノリシックＣＭＧロータ２２の高速回転を容易にするために、第１のスピン軸受４４（例えば、固定組合せ軸受カートリッジ）は、環状部分４０内に配設され、ロータシャフト３４の固定端３６の周囲に配置される。同様に、第２のスピン軸受４６（例えば、浮遊する組合せ軸受カートリッジ）は、環状部分４２内に配設され、ロータシャフト３４の浮遊端３８の周囲に配置される。第１のスピンモータ４８および第２のスピンモータ５０は、いわゆる「デュアルスピンモータ構成」で、ロータシャフト３４の対向する両端（すなわち、それぞれ固定端３６および浮遊端３８）の周囲にさらに配設される。通電されると、スピンモータ４８および５０は、（鎖線５２による図１に表される）スピン軸を中心にして比較的高い速度でモノリシックＣＭＧロータ２２を回転させ、これは、一例では、毎分約１０，０００回転に近づくまたは越えるものであり得る。ＩＧＡ２４は、簡潔さの理由から、１つまたは複数のヒータ、放出弁、回転センサ等などの業界で標準であるが、本明細書中では詳細に説明されていない様々な他の構成要素をさらに備えてもよい。例えば、図１に示されるように、ＩＧＡ２４は、回路カードおよび光学チョッパ５４を含むタコメータ組立体をさらに装備してもよく、それによってＣＭＧ２０の動作中にモノリシックＣＭＧロータ２２の回転速度および／または角度位置を監視する。

[0018]図１を続けて参照すると、ステータ組立体２６は、ステータ組立体ハウジング５６、およびトルクモータ５８を含み、トルクモータ５８は、トルクモジュール組立体として実現することができる。ステータ組立体ハウジング５６は、ロータ支持構造２８、より一般的にはＩＧＡ２４を支持する。ＣＭＧ２０の動作中、トルクモータ５８は、スピン軸５２に直交した（鎖線６０によって図１に表される）ジンバル軸を中心にしてＩＧＡ２４を選択的に回転させる。ジンバル軸受６２（例えば、大口径の組合せ軸受）は、ステータ組立体ハウジング５６とロータ支持構造２８に間に配設されて、ＩＧＡ２４がジンバル軸６０を中心に回転するときに摩擦を最小にする。ＩＧＡ２４の回転速度および／または角度位置を検出するために、ＣＭＧ２０は、タコメータ、リゾルバ等などの１つまたは複数のセンサを装備することができる。例えば、図１に一部示されるように、光学式ロータリーエンコーダ６４は、ステータ組立体ハウジング５６内に配設されてもよく、それによってＩＧＡ２４の速度および／または位置を監視する。図１に示されていないが、ＣＭＧ２０は、電気信号および／または電力を、ステータ組立体２６に取り付けられた、またはホストビークルに搭載して設置された電気部品（例えば、電源）から回転インタフェースを横切ってＩＧＡ２４に組み込まれる電気部品（例えば、スピンモータ４８および５０）に伝達するのに適しているスリップリング組立体、または（信号モジュール組立体として通常実現される）他の装置を含むこともできるが、信号モジュール組立体は、全ての実施形態に含まれる必要はなく、ＩＧＡ２４は、比較的制限された回転角度を有する実施において除外されてもよい。

[0019]ＣＭＧ２０が、宇宙船（例えば、人工衛星）、航空機または他のビークルに取り付けられることを可能にするために、取付け面６６は、ステータ組立体ハウジング５６の外部上に設けられる。取付け面６６は、ホストビークルの壁に直接ボルト留めされてもよく、または代わりに、ビークルに取り付けられる中間取付け構造にボルト留めされてもよい内部を貫通する複数のボルト穴を有する、例えば、環状構造を備えてもよい。上述のように、所望のトルクをホストビークルに付与するために、トルクモータ５８は、ＩＧＡ２４を選択的に回転させ、したがってジンバル軸６０を中心にしてロータ２２を回転させる。モノリシックＣＭＧロータ２２（および特に、後述のロータリム７２）は、十分な質量であり、ＣＭＧの動作中に、その回転面からのロータ２２の移動が、スピン軸５２とジンバル軸６０の両方に直角をなす出力軸を中心にしてかなり大きいジャイロスコープのトルクを引き起こすのに十分に高い回転速度で回転させられる。この出力トルクは、ＣＭＧロータ２２からスピン軸受４４および４６、ロータ支持構造２８、ジンバル軸受６２、およびステータ組立体ハウジング５６を介して取付け面６６へ伝達されて、所望のジャイロスコープのトルクをホストビークルに付与し、それによって高度に制御可能な姿勢調整を実行する。

[0020]図１に示される例示的な実施形態では、ステータ組立体２６が、ＩＧＡカバー６８を含むように示されており、ＩＧＡカバー６８は、ＩＧＡ２４およびモノリシックＣＭＧロータ２２の他の構成要素を封止で囲む。ＩＧＡカバー６８は、真空に近い条件が、ＣＭＧ２０の地上試験中にステータ組立体２６内に生成されることを可能にする。加えて、ＩＧＡカバー６８は、モノリシックＣＭＧロータ２２、およびＩＧＡ２４の他の構成要素（例えば、スピン軸受４４および４６）から熱を散逸させるための放射熱経路を与える。ＣＭＧ２０が宇宙船に搭載して設置された実施形態において、ある他の実施形態では、ＣＭＧ２０は、ＩＧＡカバー６８を備えなくてもよい。しかし、設けられる場合、ＩＧＡカバー６８は、ＣＭＧ２０の任意の追加の構成要素を支持することは必要とされず、ＩＧＡカバー６８が伝達のための経路を用意することも必要とされない。したがって、ＩＧＡカバー６８は、比較的薄い壁であると共に、完全またはほぼ完全な半球形状を有するように設計されてもよく、それによってＣＭＧ２０の全体積および重量を最小にした。

[0021]図２および図３は、それぞれ、モノリシックＣＭＧロータ２２の等角図および上面図である。ロータシャフト３４に加えて、モノリシックＣＭＧロータ２２は、慣性要素またはロータリム７２と、複数の半径方向に延びるスポーク７４とを備え、これらは、ロータリム７２をロータシャフト３４に連結する。ロータスポーク７４は、概して（図１に特定される）ジンバル軸６０を収容する面内に存在し、（図１にもやはり特定される）スピン軸５２に直交した縦軸に沿って延びる。ロータスポーク７４は、ほぼ一定の間隔でスピン軸５２（図１）を中心にして円周方向にまたは角度で間隔をおいて配置され、例えば、ＣＭＧロータ２２が７つのロータスポークを含む例示の例では、スポーク７４は、約５１．４°の間隔で離間される。この例にも関わらず、モノリシックＣＭＧロータ２２の実施形態が、スポークの総数が奇数であろうが偶数であろうが任意の実用的な個数のスポークを含むことができることを強調する。上で簡単に示されるように、図４に関連して以下より十分に説明されるように、ロータスポーク７４は、スピン軸５２（図１）に垂直な軸を中心にしてとるときに、それぞれ、比較的高いねじり応力の特性および高いねじり剛性を有するように製造される。同時に、ロータスポーク７４は、スポークがロータシャフト３４を連結する位置からスポークがロータリム７２を連結する位置へ半径方向にとるときに、各スポーク７４が、比較的適合または可撓性であるようにやはり製造される。このため、半径方向のスポーク７４は、本明細書において以下、「ねじれに剛性のある、放射状に適合したスポーク７４」またはより簡単には「放射状に適合したスポーク７４」と呼ばれ得る。

[0022]放射状に適合したスポーク７４は、内側スポーク端７６と、対向する外側スポーク端７８とをそれぞれ備える。各外側スポーク端７８は、その内周面８２に沿ってロータリム７２に連結される。反対に、各内側スポーク端７６は、（図３に特定される）ロータシャフト３４の外周面８０に連結される。図１〜図３に示されるように、ロータシャフト３４の中間体または中間部分は、その中間部分に向かって移動するときに外径が増加して、拡大した中央ハブ領域を形成することができ、この拡大した中央ハブ領域にスポーク７４の内側スポーク端７６が接続され、好ましくは一体に連結される。そのような拡大した中央ハブ領域は、ロータシャフト３４を剛化する。さらなる実施形態では、ロータシャフト３４は、そのような拡大した中央ハブ領域を含まなくてもよく、代わりに、場合によりシャフト端部を除いて、シャフト本体の長さにわたって一定のままである比較的狭い外径を有してもよく、これは、典型的には、異なる直径のステップ部を有するように機械加工されて、１つまたは複数のスピンモータ（例えば、図１に示されるスピンモータ４８および５０）、スピン軸受（例えば、図１に示されるスピン軸受４４および４６）、および他のそのようなＣＭＧ構成要素を収納する。いずれにしても、ロータシャフト３４は、半径方向のスポークの存在によってなお剛化され得る。これらの例にも変わらず、ロータシャフト３４、ロータスポーク７４、およびロータリム７２の特定の寸法および幾何学的形状は、ＣＭＧロータ２２の種々の実施形態の間で変わり得ることをやはり強調する。

[0023]ロータリム７２は、ＣＭＧロータ２２の一次の慣性質量としての使用に適した任意の構造上の要素、グループ分け、または構造上の要素の集まりの形態を仮定することができる。図１〜図３に示されるように、ロータリム７２は、典型的には、環状の単一部品の本体、またはモノリシックリングの形態を仮定する。例示の例では、スピン軸５２（図１）を含む切断面に沿ってとるとき、ロータリム７２は、凸状外形を有する外周面８４を含み、これは、リム７２の質量を最大にしつつ、ＣＭＧロータ２２に比較的コンパクトな外包を与える球の中央領域または赤道帯に近いが、ロータリム７２の外側輪郭は、リム７２の相対寸法となるので、いろいろとある実施形態の中で変わり得る。概して、ロータリム７２の外径は典型的には、許容できる応力、運転ロータ速度、およびロータ重量によって決定され、一方、リム７２の内径は最適化されて、所望の重量と運動量の比を実現することができる。ロータリム７２の半径方向厚さの増加は、モノリシックＣＭＧロータ２２のトルク容量および運動量の能力を、対応する重量の罰則とともにではあるが、典型的には改善する。

[0024]前述のように、ＣＭＧロータ２２は、モノリシックまたは単一の本体または塊として製造されることが好ましい。そのような場合、図１〜図３に示される例示的な実施形態を参照すると、ロータシャフト３４、ロータリム７２、および放射状に適合したスポーク７４は、単一部品として一体に連結される。このことは、図４を参照することによってより十分に理解され得るものであり、図４は、図３中の線４−４に沿ったモノリシックＣＭＧロータ２２（部分的に図示）の断面図である。一体に連結された領域、またはモノリシックもしくは単一部品の部分のセクションの間の正確な境界は、幾分概念的であることを理解の上で、ロータリム７２と、（それらのうちのただ１つが、図４に完全に示される）放射状に適合したスポーク７４の外側末端端部との間の全体的な境界または区分を視覚的に見分けるために、図４に破線８８が与えられる。破線８６は、ロータシャフト３４と、放射状に適合したスポーク７４の内側末端端部との間の全体的な区分を視覚的に見分けるためにさらに設けられる。各放射状に適合したスポーク７４の外側スポーク端７８がロータリム７２の内周面８２に一体接続される領域は、本明細書中では「リム・スポーク連結界面」と呼ばれ、円８９によって図４には概して特定される。第１および２の円は、概して、第１のおよび第２の軸方向に間隔をおいて配置されたスポーク・シャフト連結界面９０および９２をそれぞれ特定し、それに沿って、内側スポーク端７６の対向する縁部領域が、ロータシャフト３４に連結される（内側スポーク端７６の縁部領域は、図１に示されるシャフト３４の縦軸またはスピン軸５２に沿って得られるときに対向していている）。

[0025]図４に示されるように、各放射状に適合したスポーク７４は、所定の長さＬ_１を有し、長さＬ_１は、内側スポーク端７６がロータシャフト３４に接続する位置（例えば、後述の（１つまたは複数の）スポーク・シャフト連結界面）から外側スポーク端７８がロータリム７２に接続する位置（例えば、スポーク・リム連結界面８９）へ延びるＣＭＧロータ２２の半径に沿って得られる。一実施形態では、非限定の例だけによって、スポーク長さＬ_１は、（「Ｒ_１」として図４に示される）モノリシックＣＭＧロータ２２の半径の約半分より長い。両矢印「Ｈ_１」によって図４にさらに特定されるように、外側スポーク端７８は、所定の軸方向高さを有するようにそれぞれ製造される。非限定の例によって、図１〜図４にさらに示されるように、各外側スポーク端７８の軸方向高さ（Ｈ_１）は、ロータリム７２の軸方向高さ未満またはそれにほぼ等しいものであり得る。しかし、さらなる実施形態では、この寸法は、調整されてもよく、例えば、放射状に適合したスポーク７４の交差軸の剛性を微調整するようになっている。

[0026]円９３によって図４に示されるように、内側スポーク端７６の中間部分は、ロータシャフト３４の中間セグメントに同様に接続され、内側スポーク端７６は、シャフトの高さ全体に沿ってロータシャフト３４に一体につなぎ合わされるようになっている。しかし、ロータスポーク７８の後述の高いねじり剛性の特性が、内側スポーク端７６の対向する縁部領域の比較的広いスタンスによって、および具体的には、スポーク・シャフト連結界面９０と９２の間の軸方向の間隔の増加によって少なくとも大部分で与えられることに留意されたい。ＣＭＧロータ２２のさらなる実施形態では、中間スポーク・シャフト連結界面９３は、一部または全体が除去されて追加の質量低減が行われてもよく、各ロータスポーク７８が、対向するスポーク・シャフト連結界面９０および９２によって単独でロータシャフト３４に連結されるようになっている。スポーク・シャフト連結界面９０および９２を形成してこのやり方で軸方向の間隔の増加を有することによって、（「Ｈ_２」として図４に特定される）内側スポーク端７６の軸方向高さは増加されて、各ロータスポーク７４の角度剛性を強化する。いくつかの実施では、各ロータスポーク７４は、その内側スポーク端７６が、軸方向高さ（Ｈ_２）を有するように製造することができ、軸方向高さ（Ｈ_２）は、その外側スポーク端７８の高さ（Ｈ_１）よりもロータシャフト３４の長さ（Ｌ_２）に大きさが近い。他の実施では、各内側スポーク端７６が、（「Ｒ_１」として図４に特定される）モノリシックＣＭＧロータ２２の半径（Ｒ_１）にほぼ等価な（すなわち、それに比べて約１０％だけ異なる）軸方向高さ（Ｈ_２）を有してもよい。一般に、内側スポーク端７６（Ｈ_２）の最大高さは、外側スポーク端７８の最大高さ（Ｈ_１）より大きく、好ましくは、外側スポーク端７８の最大高さ（Ｈ_１）の少なくとも２倍である。

[0027]図４を続けて参照すると、放射状に適合したスポーク７４は、対向する縦方向の畝または突起９６および９８をそれぞれ含む。例示の例では、外側スポーク端７８から内側スポーク端７６へ半径方向内側に移動するとき（すなわち、図１に示されるスピン軸５２に向かって移動するとき）、各放射状に適合したスポーク７４は、軸方向高さが増加するにつれて、ロータシャフト３４への近さが増加すると共に、突起９６および９８は、互いからおよびジンバル軸６０（図１）から分かれる。好ましくは、放射状に適合したスポーク７４は、軸方向に先細りの幾何学的形状をそれぞれが有するように製造され、この幾何学的形状は、半径方向外側への方向にスポークの長さまたは本体に沿って移動するとき、徐々にまたはステップのない軸方向高さの増加を与えるが、軸方向にステップのある外形を有するようにスポーク７４を製造する可能性は、決して除外されていない。例えば、各放射状に適合したスポーク７４の対向する縦方向の畝または突起９６および９８は、概してアーチ型の外形、傾斜した外形、または放物線状の外形がそれぞれ付与され得る。そのような軸方向に先細りの設計は、高速ＣＭＧ動作中のハブの応力を減少させ、スポークの突起９６および９８が、一定の応力ビームとして概して機能することを可能にする。

[0028]（「ＣＴ_１」として図３に特定される）比較的狭い横の厚さまたは弦歯厚さを有するように各ロータスポーク７４を製造することによって、ＣＭＧロータ２２の重量は、スポークのねじり剛性にほとんど影響を及ぼすことなくさらに減少させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、非限定の例によって各ロータスポーク７４は、各外側スポーク端７８の最大軸方向高さ（Ｈ_１）が、少なくとも２倍の半径方向のスポークの弦歯厚（ＣＴ_１）であるように、各ロータスポーク７４の平均の軸方向高さが、少なくとも２倍の半径方向のスポークの弦歯厚（ＣＴ_１）、および各内側スポーク端７６の最大軸方向高さ（Ｈ_２）が半径方向のスポークの弦歯厚（ＣＴ_１）の少なくとも４倍であるように製造することができる。例示の例では、スポーク７４が、スポークの長さまたは本体に沿って（図３中の「ＣＴ_１」として特定される）ほぼ一定の弦歯厚を有するが、代替の実施形態では、放射状に適合したスポーク７４の弦歯厚が、スポークの長さに沿って変化してもよく、例えば、いくつかの実施形態では、各半径方向のスポークの弦歯厚が、ロータシャフト３４およびスピン軸５２（図１）への近さが増加するにつれて弦歯厚が次第に増加するように、スポークの高さとほとんど同じやり方で先細りであってもよいことに留意されたい。

[0029]１つまたは複数のくぼみが、各ロータスポーク７４内に形成されてもよく、および／または１つまたは複数の横開口が、各ロータスポーク７４を通じて形成されてもよく、それによってスポークの質量をさらに減少させる。例えば、図２および図４に示されるように（図１から省かれている）、肉抜き穴または窓９４が、各ロータスポーク７４の本体を通じて切断されもよく、または他のやり方で各ロータスポーク７４の本体に形成されてもよい。好ましくは、各横窓９４は、ロータスポーク７４の中間部分を通じて形成され、（図４に名前を付けられた）対向する突起９６および９８のどちらかを破らないで、角度スポーク剛性を維持する。図２および図４に示される例示的な実施形態では、ほぼ長方形プラットフォームの幾何学的形状を有するものとして示されているが、ＣＭＧロータ２２のさらなる実施形態では、各窓９４は、様々な他の形状（例えば、丸い幾何学的形状）を想定してもよい。

[0030]ロータシャフト３４の長さ（Ｌ_１）に対して内側スポーク端７６の高さ（Ｈ_２）を上記のやり方で最大にし、それによってスポーク・シャフト連結界面９０および９２をロータシャフト３４の対向する末端端部に向かって移動させることによって、ロータスポーク７４の角度剛性またはねじり剛性が改善され得る。そのような高いねじりスポーク剛性によって、モノリシックＣＭＧロータ２２は、トルクモータ５８によって加えられるトルクへの高い応答を残し、したがって非常に制御可能でありつつ、格段に急速な回転速度で回転することを可能にする。比較的高いねじり剛性を有することに加えて、各放射状に適合したスポーク７４は、引張ひずみ除去形状構成を含むようにも製造されており、引張ひずみ除去形状構成は、例えば、ロータスピン軸に沿って見られるようなスポーク本体の湾曲したまたは直線でないセクションであってもよい。例示的なＣＭＧロータ２２の場合、具体的には、各スポーク７４は、湾曲したスポークのセグメント９９を有するように製造され、この湾曲したスポークのセグメント９９は、引張ひずみ除去形状構成としての役割を果たす。いくつかの場合には、湾曲したスポークのセグメント９９は、ほぼＣ形または放物線状の幾何学的形状を有してもよい。代替として、湾曲したスポークのセグメント９９は、スピン軸５２（図１）に沿って見られるような波状の幾何学的形状、起伏のある幾何学的形状、または曲がりくねった幾何学的形状を有してもよく、例えば、図１〜図４に示されるように、内側スポーク端７６から外側スポーク端７８に向かって移動するとき，各スポークセグメント９９は、概してＳ形の経路に従うことができる。この構造上の構成の結果として、放射状に適合したスポーク７４の湾曲したセグメント９９は、ＣＭＧロータ２２の高速回転中、曲げたわみによって外に真っ直ぐ伸ばし、したがってその半径方向長さを増大させ、用語「半径方向長さ」は、本明細書で見られる場合、ロータスポークがロータシャフトに連結する位置からロータスポークがロータリムに連結する位置へＣＭＧロータ（例えば、ＣＭＧロータ２２）の半径に沿ってとられるとき、ロータスポークの長さを示す。

[0031]ＣＭＧロータ２２が、その動作速度にもたらされると、ロータリム７２は、ロータスポーク７４がするよりも素早く半径方向に外側に拡張する傾向があり得る。直線または直線的なロータスポークを有する従来のＣＭＧロータとは対照的に、これは、スポークの応力を増大させ、ロータ速度を制限し、これはロータの運動量の能力を制限する。したがって、ロータスポークを湾曲させる、または他のやり方で本明細書に記載したタイプの引張ひずみ除去形状構成（例えば、図１〜図４に示される湾曲したセグメント９９）を含むようにスポーク７４を製造することによって、放射状に適合したスポーク７４は、リム７２の外側への半径方向の成長に関連して半径方向に拡張することが可能にされ、小さい値の曲げ応力だけを引き起こしつつ、引張スポーク応力を最小にする。このようにして、ＣＭＧロータは、ロータスポークの応力制限によって必要以上の制限なしに、ロータの応力制限速度でまたはそれに近い制限速度で動作することができる。

[0032]図１〜図４に関連して上述した例示的な実施形態では、ひずみ除去形状構成は、スポーク本体の波状の領域を形成すると想定するが、引張ひずみ除去形状構成は、代替の実施形態では、他の形態を想定してもよい。例えば、さらなる実施形態では、引張ひずみ除去形状構成は、スポーク本体の環状（すなわち、リング形または円形）セグメント、フォーク形セグメント、または分岐したセグメントなど、ロータのスピン軸に沿って見られるような、細長いスポーク本体の湾曲したまたは直線でない他のタイプのセクションとして実現することができる。さらに、この点を示すとき、図６は、ＣＭＧロータ１００および補助的なリム１０１の等角図であり、補助的なリム１０１は、ＣＭＧロータ１００の周囲に取り付けられて、ロータ組立体１００、１０２を作り出す。多くの点で、ＣＭＧロータ１００は、図１〜図４に関連して上述したＣＭＧロータ２２に類似する。従来そうであったように、ＣＭＧロータ１００は、ロータシャフト１０４と、ロータリム１０６と、ロータシャフト１０４をロータリム１０６に連結する複数の円周方向に間隔をおいて配置したスポーク１０８とを備える。ロータスポーク７４は、ロータシャフト１０４の外周面に連結される内側端１１０と、ロータリム１０４の内周面に連結され対向する外側端１１２と、内側シャフト端部１１０と外側スポーク端１１２の間に配設される中間部分または中間部１１４とをそれぞれ含む。好ましくは、ＣＭＧロータ１００は、モノリシック本体として製造され、ロータスポーク１０８、ロータシャフト１０４、およびロータリム１０６は、単一の部品として一体に連結されるようになっているが、これは、全ての実施形態においてそうである必要はない。

[0033]図１〜図４に関連して上述したＣＭＧロータ２２の放射状に適合したスポーク７４であるとき、好ましくは、ＣＭＧロータ１００のロータスポーク１０８は、ロータリム１０６からロータシャフト１０４に向かって半径方向内側へ移動するときに次第に増大する軸方向高さを有するように各スポーク１０８を例えば製造することによって比較的高いねじり剛性がそれぞれ付与される。加えて、ＣＭＧロータ１００のロータスポーク１０８は、１つまたは複数の引張ひずみ除去形状構成をやはり含むように製造されて、各スポーク１０８に所定の半径方向適合性を付与する。しかし、ＣＭＧロータ２２（図１〜図４）とは対照的に、ＣＭＧロータ１００のひずみ除去形状構成は、ロータスピン軸に沿って見るときに、各ロータスポーク１０８の分岐した中間部１１４として実現される。各スポーク中間部１１４が、内側スポーク端１１０から外側に延びるとき、各スポーク中間部１１４は、２つの湾曲した脚または曲がった脚に分かれ、この脚は、外側スポーク端１１２に再び合流するまである距離について隣り合わせの関係で延びる。分岐した中間部１１４の曲がった脚は、ＣＭＧロータ１００のスピン軸にほぼ平行な軸に沿って各中間部１１４を通じて形成された軸方向開口部１１６によって一部画定される。ＣＭＧロータ１００の高速動作中、分岐したスポーク中間部１１４は、曲げによってたわみ、曲がった脚は合流し、各半径方向のスポーク１０８の半径方向長さは、上記のやり方でロータリム１０６の外側への拡張を収納するように増大するようになっている。さらなる実施形態では、スポーク中間部１１４は、拡大されてもよく、各中間部１１４の曲がった脚の外形は、各放射状に適合したスポークに概してリング形または環状の幾何学的形状を付与するように変更されてもよい（例えば、各脚は、ロータスピン軸に沿って見られるような概して半球状の外形に従ってもよい）。そのような場合、放射状に適合したスポークは、本出願の内容において分岐したスポークセクションを含むとさらに考えられる。

[0034]図５を続けて参照すると、補助的なリム１０２は、ロータ組立体１００、１０２の生産中にロータリム１０６の周囲に固定される。第１の例では、補助的なリム１０２は、金属または合金（例えば、鋼鉄）から一部品のリングとして製造することができる、これは、締まりばめプロセスまたはサーマルフィットプロセスを利用してロータリム１０６の周囲に取り付けられる。代替として、補助的なリム１０２は、ＣＭＧロータ１００が製造される母材より高い係数を有する炭素繊維複合材などの複合材料から製造することができる。この場合、補助的なリム１０２は、ＣＭＧロータ１００とは別個に予備硬化され、次いでロータリム１０６の周囲に装着されてもよく、または代わりに、可鍛性、予備硬化、または生の状態にあるときにリム１０６に巻き付けられ、その後、製造中に硬化される。そのような場合、ロータ１００の構造上の要素（すなわち、ロータリム１０６、ロータスポーク１０８、およびロータシャフト１０４）が、単一の本体または単一部品として一体に形成されるとき、ＣＭＧロータ１００は、モノリシックの構成によってさらに特徴付けられ得る。そのような補助的なリムをモノリシックＣＭＧロータ１００の周囲に取り付けることによって、補助的なリム１０２は、ロータリム１０６およびロータスポーク１０８を圧縮状態に置くことによって、および／またはロータリム１０６のフープ強度を補強することによって作用応力を減少させる。これは、さもなければ回転速度およびロータの寿命を望ましくなく制限し得る溶接継手がさらにないままで、改善された作用応力の特性を有するロータ組立体の生産を可能にする。本発明のさらなる実施形態では、図１〜図４に示されるＣＭＧロータ２２は、補助的なリムと組み合わすこともできて、ロータ組立体をもたらす。

[0035]図６は図１〜図４に関連して上述したＣＭＧロータ２２、または図５に関連して上述したＣＭＧロータ１００などの、モノリシックＣＭＧロータを含む制御モーメントジャイロスコープを製造する例示的な方法１２０を示す流れ図である。例示的な方法１２０は、モノリシックまたは一部品のＣＭＧロータ予成形品を生産するステップを開始する（ステップ１２２）。一実施形態では、モノリシックロータ予成形品は、単一のビレットを円筒などの所望のバルク形状に鍛造することによって製造される。好ましくは、ビレットは、高い引張強度および降伏強度を有し、中程度から良好な延性を有し、および低いライフサイクル疲労特性を有する比較的高密度の合金で構成される。適切な材料には、高強度鋼が含まれるが、それらに限定されない。次に、ステップ１２４で、鍛造物または一部品のＣＭＧロータ予成形品は、バルク機械加工を受け、その間にビレットの大部分は、仕上がったモノリシックＣＭＧロータのニアネットシェイプを定めるために除去される。例えば、バルク機械加工中、一部品のＣＭＧロータ予成形品の上領域および下領域は、ロータシャフトの上端および下端を定めるために除去することができ、ＣＭＧロータ予成形品の外周は、ロータリムの外側の幾何学的形状を定めるために丸められてもよい。次いで、熱処理が実行されてもよく（ステップ１２６）、これは熱間等静圧圧縮成形（「ＨＩＰ」）プロセス、および場合によっては１つまたは複数の追加の高温処理のステップを伴い得る。

[0036]例示的な方法１２０（図６）を続けると、ニアネットロータ予成形品のさらなる機械加工が、次に、ＣＭＧロータのより複雑な特徴を定めるために実行されてもよい（ステップ１２８）。例えば、図１〜図４に示されるＣＭＧロータ２２、および図５に示されるＣＭＧロータ１００を参照すると、円周方向に間隔をおいて配置した貫通穴が、複数の放射状に適合した半径方向のスポークの側面側壁を定めるようにスピン軸にほぼ平行な軸に沿ってロータ予成形品の本体を通じて切断されてもよい。このようにして、複数の放射状に適合した半径方向のスポークが、ロータシャフトに一体につなぎ合わされる内側スポーク端と、ロータリムの内周面に一体につなぎ合わされる外側スポーク端とをそれぞれ含むように製造することができる。ポークがロータシャフトに連結する位置からスポークがロータリムに連結する位置へとったとき、半径方向のスポークは、各スポークに所定の半径方向適合性または可撓性を付与するのに適した引張ひずみ除去形状構成を含むように製造されることが有利である。非限定の例によって、引張ひずみ経常構成は、図１〜図４に関連して上述されたようなスポーク本体の波状セクションであってもよく、図５に関連して上述されたようなものなどのスポーク本体の概して円形セクション、環状セクションもしくは分岐セクションであってもよく、またはそれらの組み合わせであってもよい。半径方向のスポークは、前述のようにロータシャフトへの近さが増加するにつれて次第に増加する先細りの軸方向高さ、および／またはロータシャフトへの近さが増加するにつれて同様に増加する先細りの弦歯厚を有するように製造されることも有利である。

[0037]次に、ステップ１３０（図６）で、１つまたは複数の追加の製造ステップが、必要に応じて、モノリシックＣＭＧロータの製造を完成するために実行されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、補助的なリム（例えば、鉄鋼リング）が、図５に関連して上述したようにサーマルフィットまたは締まりばめを利用してモノリシックＣＭＧロータのリムの周囲に取り付けられてもよい。補助的なリムは、複合材料から製造することもでき、複合材料は、予備硬化され、次いでロータリムの周囲に装着されるか、または代わりに、生の予備硬化状態でモノリシックＣＭＧロータのリムに巻き付けられ、次いでステップ１３０中に所定の位置に硬化される。例示的な方法１２０（図６）を完結するために、ＣＭＧロータを、そのホストＣＭＧの内部ジンバル組立体内で検査および装着することができる（ステップ１３２）。一実施形態では、検査は、特徴決定プロセスを伴うことができ、その間にＣＭＧロータは、Ｘ線検査または別の検査法を利用して構造上の欠陥について調べられる。ＣＭＧロータ２２および／またはＣＭＧロータ１００を、上記のやり方で一部品の予成形品（または単一の鍛造したビレット）から製造し、したがって複数の別個に製造された構成要素の溶接またはそれ以外では連結の必要をなくすことによって、ＣＭＧロータ２２および／またはＣＭＧロータ１００の製造に関連した時間およびコストが、シェルロータ、および他の従来より知られている複数部品のロータの製造に比べてかなり減少させることができる。

[0038]上記を考慮して、シェルロータ組立体および他の従来より知られているＣＭＧロータ組立体に比べて、改善された性能特性（例えば、重量当たりの運動量の比の増加、より高い速度制限、より長い動作の寿命など）を有する改良型ロータを含む制御モーメントジャイロスコープの複数の例示的な実施形態を理解されたい。上記のＣＭＧの実施形態は、モノリシックＣＭＧロータを用いたものであり、モノリシックＣＭＧロータは、コスト効率および時間効率の良い製造プロセスを利用する生産に適している。特に、上記のＣＭＧは、放射状に適合したスポークを有するＣＭＧロータを含んだものであり、放射状に適合したスポークは、高速ロータ回転中に半径方向長さの増加に対する曲げ作用によってたわみ、それによってスピン応力を緩和し、より効率的で、より高速のＣＭＧロータの設計を可能にする。好ましい実施形態では、放射状に適合したスポークは、少なくとも１つの引張ひずみ除去形状構成をそれぞれ含むように製造されたものであり、少なくとも実質的な一部において、ＣＭＧロータの高速回転中のひずみ除去形状構成の曲げたわみによりスポークを長くすることを可能にし、それによってロータリムの半径方向の拡張を収納し、それによって、スポーク本体に沿ってかつロータスポークがロータリムとシャフトとに接続する連結界面でスピン応力を減少させる。前述の例は、そのような高性能ロータを含むＣＭＧを生産するのに適した製造プロセスも提供した。

[0039]少なくとも１つの例示的な実施形態が、前述の詳細な説明に示されたが、膨大な数の変形形態が存在することを理解されたい。例示的な一実施形態または複数の例示的な実施形態は、例に過ぎず、本発明の範囲、適用範囲、または構成を何らかの形で限定するものではないことも理解されたい。むしろ、前述の詳細な説明は、当業者に、本発明の例示的な実施形態を実行するための便利なロードマップを与えるものである。添付の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱されることなく、例示的な実施形態に記載した要素の機能および配置の様々な変更がなされ得ることが理解されよう。

２０制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ）
２２高性能ロータ、ロータ、モノリシックＣＭＧロータ、ＣＭＧロータ
２４内部ジンバル組立体（ＩＧＡ）
２６ステータ組立体
２８ロータ支持構造
３０ヨークまたは鞍構造
３２ベースリング組立体
３４ロータシャフト、シャフト
３６固定端
３８浮遊端
４０第１の円筒形空洞または環状部分、環状部分
４２第２の環状部分
４４第１のスピン軸受
４６第２のスピン軸受
４８第１のスピンモータ、スピンモータ
５０第２のスピンモータ、スピンモータ
５２スピン軸
５６ステータ組立体ハウジング
５８トルクモータ
６０ジンバル軸
６２ジンバル軸受
６４光学式ロータリーエンコーダ
６６取付け面
６８ＩＧＡカバー
７２ロータリム、リム
７４スポーク、ロータスポーク
７６内側スポーク端
７８外側スポーク端
８０外周面
８２内周面
８６破線
８８破線
８９円
９０スポーク・シャフト連結界面
９２スポーク・シャフト連結界面
９３円、中間スポーク・シャフト連結界面
９４肉抜き穴または窓、横窓
９６突起
９８突起
９９湾曲したスポークのセグメント
１００第２の例示的なＣＭＧロータ、ＣＭＧロータ、ロータ組立体、ロータ
１０１補助的なリム
１０２ロータ組立体、補助的なリム
１０４ロータシャフト
１０６ロータリム、リム
１０８スポーク、ロータスポーク
１１０内側端、内側シャフト端部、内側スポーク端
１１２外側スポーク端
１１４中間部、スポーク中間部、分岐した中間部
１１６軸方向開口部

Claims

制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ（２０））であって、
ステータハウジング（５６）と、
内部ジンバル組立体（ＩＧＡ（２４））とを備え、前記内部ジンバル組立体（ＩＧＡ（２４））が、
前記ステータハウジング（５６）に回転可能に取り付けられるロータ支持構造（２８）、
前記ロータ支持構造（２８）に回転可能に取り付けられるＣＭＧロータ（２２、１００）であって、
ロータシャフト（３４、１０４）、および
前記ロータシャフト（３４、１０４）を取り囲むロータリム（７２、１０４）
を含むＣＭＧロータ（２２、１００）、ならびに
前記ロータ支持構造（２８）に結合され、スピン軸（５２）を中心にして前記ＣＭＧロータ（２２、１００）を回転させるように構成されるスピンモータ（４８、５０）
を備え、制御モーメントジャイロスコープ（ＣＭＧ（２０））がさらに、
前記ステータハウジング（５６）に結合され、ジンバル軸（６０）を中心にして前記ロータ支持構造（２８）を回転させて前記ＣＭＧ（２０）の動作中に所望の出力トルクを発生させるように構成されるトルクモータ（５８）
を備える、ＣＭＧ（２０）において、
前記ＣＭＧロータ（２２、１００）が、前記ロータシャフト（３４、１０４）と前記ロータリム（７２、１０４）の間に延びる複数の放射状に適合したスポーク（７４、１０８）をさらに備え、前記複数の放射状に適合したスポーク（７４、１０８）の各々が、スポーク本体に一体に形成された引張ひずみ除去形状構成を備え、
前記複数の放射状に適合したスポーク（７４、１０８）の各々が、
前記ロータシャフト（３４、１０４）に一体につなぎ合わされる内側スポーク端（７６、１１０）と、
前記ロータリム（７２、１０４）に一体につなぎ合わされる外側スポーク端（７８、１１２）と
をさらに備え、前記引張ひずみ除去形状構成が、前記内側スポーク端（７６、１１０）と前記外側スポーク端（７８、１１２）の間に配設されており、
各放射状に適合したスポーク（７４、１０８）の軸方向高さが、前記外側スポーク端（７８、１１２）から前記内側スポーク端（７６、１１０）に向かって半径方向内側の方向に移動すると次第に増大する、ＣＭＧ（２０）。
前記引張ひずみ除去形状構成がそれぞれ、前記スピン軸（５２）に沿って見られるような、前記スポーク本体の波状部分、または前記スポーク本体の分岐部分（１１４）を備える、請求項１に記載のＣＭＧ（２０）。